Multi-temporal SAR interferometry for monitoring ground deformation in Greece

Abstract

This dissertation is focused on the applications of multi-temporal SAR interferometry techniques to estimate deformation in carefully selected tectonically active areas in the greek territory, never investigated in the past with the use of InSAR time-series analysis. The objective of this dissertation is twofold. The first part of the thesis is focused on the added geophysical knowledge, provided with the employment of PS techniques in deformation mapping. The second part is focused on the improvement of the accuracy of SAR image coregistration, a crucial step during a typical interferometric processing. Amorgos, Kythira islands and the broader area around Polygyros city, were selected fot InSAR time-series analysis. The Mw = 6.4 June 1995 Aigion (Gulf of Corinth) earthquake and the Mw = 6 September 1999 Athens (Attica) earthquake, served as case studies for the experimental analysis of SAR image coregistarion. Post-seismic deformation on Amorgos island was investigated, for the first time with the use of multi-temporal InSAR techniques. Long time-series analysis was performed on ENVISAT and Sentinel-1 data of more than a decade. The decomposition of LOS velocity vectors to vertical and horizontal motion components, contributed to a more accurate interpretation of the displacement field. The central south coast is experiencing horizontal movement, while uplift of a maximum value of 5mm/y isobserved in the southeastern coast. The interpretation of the estimated SAR displacements in Amorgos island, reveals that the observed upper-crust movements may reflect post-event long-term relaxation, which has been recognized to be caused by large earthquakes as redistribution of displacement, strain, and stress. A time-series analysis of more than a decade, from 2003 to 2019 was performed and ground deformation velocity maps, were produced, for Kythira island. The main geodetic deformation pattern dominating a large part of the island is uplift, ranging from 2 to 5 mm/y. We suggest that the current deformation pattern identified in Kythira Island from space geodesy is rather explainable by regional deformation processes rather than by deformation in local small-scale, no active faults on the island. Earthquake-cycle modeling is not helpful in this case, since the historical earthquake record of the area is poorly constrained, while the instrumental seismicity is dominated by the two intermediate-depth earthquakes of 1903 and 2006. Aseismic slip is an alternative mechanism for uplift in plate margins. An additional uplift mechanism that should not be ruled out is sediment underplating. An extensive study over Chalkidiki peninsula and specifically on the broader area of Polygyros city, an area that has been poorly investigated in terms of its tectonic behavior, was conducted, by combining two complementary geodetic observations, GPS and InSAR data. An investigation of hydrogeological studies in the area, reveals an aquifer over-exploitation, due to intense pumping of considerable number irrigation and drinking water boreholes and differences in recharging rate. The PSI results from Sentinel-1 data, are an indication that the water balance in the area might not have been restored after 2014, and that over-exploitation of Moudania watershed continues. An experimental analysis of the coregistration step, using ERS data, was performed and the most efficient combination of algorithms and parameters, evaluated by coherence statistics, is provided. It is worth to be mentioned that all the final selected thresholds and methods, are computationally efficient, compared to more complex methods and the same combination of parameters can be applied as a generalized rule, since it was efficient in areas with diverse terrain types.

Η παρούσα διατριβή εστιάζει στις εφαρμογές της συμβολομετρίας SAR και συγκεκριμένα, στις τεχνικές InSAR για διαχρονική παρακολούθηση των μετατοπίσεων του εδάφους, σε ενεργές τεκτονικά περιοχές του Ελλαδικού χώρου. Τρεις περιοχές σεισμικού ενδιαφέροντος, επιλέχθηκαν για μελέτη εδαφικών παραμορφώσεων με μεθόδους διαχρονικής συμβολομετρίας. Επίσης, δύο μεγάλα σεισμικά γεγονότα στον Ελλαδικό χώρο, αποτέλεσαν τη βάση για την ανάπτυξη μίας μεθοδολογίας για την επεξεργασία δεδομένων από τον δορυφόρο ERS, με βελτιωμένη ακρίβεια στη συνοχή φάσης. Για τη μελέτη χρονοσειρών αξιοποιήθηκαν δεδομένα από το 1992 έως το 2019, από τους δορυφόρους ERS, ENVISAT και Sentinel-1. Η συνδυασμένη μέθοδος των σταθερών σκεδαστών και των υποσυνόλων μικρών βάσεων StaMPS/MTI (Stanford Method for Persistent Scatterers-Multi-Temporal InSAR) εφαρμόστηκε σε δεδομένα από τους δορυφόρους ERS και ENVISAT. Η μέθοδος σταθερώνσκεδαστών του Stanford (Stanford Method for Persistent Scatterers) εφαρμόστηκε σε δεδομένα από τον δορυφόρο Sentinel-1. Με στόχο τον προσδιορισμό των οριζόντιων και κάθετων μετατοπίσεων, οι ταχύτητες LOS αναλύθηκαν στις κάθετες και οριζόντιες συνιστώσεις της κίνησης. Η διερεύνηση των αλγορίθμων και παραμέτρων του βήματος της συμπροσαρμογής των εικόνων SAR οδήγησε σε έναν βέλτιστο συνδυασμό, με στόχο τη δημιουργία μεθοδολογίας, για να χρησιμεύσει ως μία γενική προσέγγιση για την επεξεργασία δεδομένων από ιστορικούς δορυφόρους. Προσδιορίστηκε ο πιο αποτελεσματικός συνδυασμός αλγορίθμων και παραμέτρων, που παρέχει την βέλτιστη συνοχή εικόνων και αξιολογήθηκε από στατιστική ανάλυση της συνοχής φάσης. Η μελέτη χρονοσειρών για το νησί της Αμοργού με τη χρήση μεθόδων διαχρονικής συμβολομετρίας SAR, αφενός επιβεβαίωσε τις προϋπάρχουσες τεκτονικές μελέτες που έχουν πραγματοποιηθεί στην περιοχή, αφετέρου πρόσθεσε πληροφορίες σχετικά με τη νεοτεκτονική συμπεριφορά του νησιού και το συσχετισμό της με το σεισμικό γεγονός του 1956. Συγκεκριμένα, η ανύψωση στην ΝΑ ακτή του νησιού, σχετίζεται με ανύψωση του υποκείμενου τομέα του ρήγματος που υπάρχει στην περιοχή. Επίσης, η καθίζηση που εντοπίστηκε στην Χοζοβιώτισσα, σχετίζεται με την καθίζηση του υπερκείμενου τομέα του ρήγματος στην περιοχή. Συνοψίζοντας, η ερμηνεία των εκτιμώμενων μετατοπίσεων στην Αμοργό,υποδηλώνει ότι οι κινήσεις του ανώτερου φλοιού, αντικατοπτρίζουν μετασεισμική χαλάρωση, γεγονός που προκύπτει από μεγάλους σεισμούς, ως ανακατανομή της παραμόρφωσης και της έντασης. Η μελέτη στην περιοχή των Κυθήρων, παρουσίασε, οριζόντιες μετατοπίσεις στην ΝΑ ακτή κοντά στον Ποταμό, με μέγιστη τιμή -3mm/y (ανατολικής κίνησης) και δυτικά από το Λιβάδι, μικρότερης έντασης. Κατακόρυφες μετατοπίσεις έως 5mm/y εντοπίστηκαν για τη χρονική περίοδο 2015-2019. Οι κατακόρυφες μετατοπίσεις είναι κατά μία τάξη μεγαλύτερες της μακροχρόνιας ανύψωσης στο νησί, που πιθανόν οφείλονται σε ασεισμική ολίσθηση ή καθίζηση υποπλακών. Όσον αφορά τη μελέτη στη Χαλκιδική, δεδομένης της υπερεκμετάλλευσης της λεκάνης απορροής των Μουδανιών, όπως παρατηρήθηκε από υδρολογικές μελέτες στην περιοχή, για την χρονική περίοδο πριν το 2014, τα αποτελέσματα των χρονοσειρών για το χρονικό διάστημα 2014-2018, πρόσθεσαν νέα γνώση σχετικά με τις πρόσφατες παραμορφώσεις του εδάφους, που σχετίζονται με την υπερεκμετάλλευση του υδροφόρου ορίζοντα στα Μουδανιά, υποδηλώνοντας ότι δεν έχει αποκατασταθεί η ισορροπία και ότι το φαινόμενο της υπερκμετάλλευσης του υδροφόρου ορίζοντα συνεχίζεται και μετά το 2014. Η ανάπτυξη ειδικής μεθοδολογίας για το στάδιο της συμπροσαρμογής των εικόνων, η οποία επιφέρει αισθητή βελτίωση στη συνοχή φάσης των εικόνων από τον δορυφόρο ERS, είναι εφαρμόσιμη σε κάθε τύπο εδάφους (αγροτικό ή αστικό περιβάλλον) και δεν απαιτεί ιδιαίτερη υπολογιστική ισχύ, λόγω του αποτελεσματικού συνδυασμού γρήγορων υπολογιστικά αλγορίθμων.